实时系统回顾医学与软组织形变仿真:计算方法,交互设备,系统架构,和临床验证

文摘

模拟软组织的变形是一个复杂的工程任务,并且它是更加困难面对计算速度和系统精度之间的约束。然而,文学缺乏全面审查所有必要的方面(计算方法、交互设备、系统体系结构和临床验证)软组织仿真的开发一个有效的系统。本文总结和分析最近的成就解决这些问题估计未来发展趋势和软弱。进行系统的审查过程使用棱镜协议有三个可靠科学搜索引擎(ScienceDirect、PubMed和IEEE)。55相关论文终于选定,包括审查过程,和质量评估过程也表现。计算方法分为网,meshfree,混合方法。交互设备关心结合虚拟手术器械和力反馈设备,3 d扫描仪,生物力学传感器、人机接口设备,3 d电视观众,2 d / 3 d光学相机。系统架构分析基于系统执行方案和系统的概念框架。特别是,系统执行方案包括发布出去是依靠,multithread-based, multimodel-based处决。系统框架分为输入和输出交互框架,图形交互框架、模型框架,混合框架。 Clinical validation procedures are ordered as three levels: geometrical validation, model behavior validation, and user acceptability/safety validation. The present review paper provides useful information to characterize how real-time medical simulation systems with soft-tissue deformations have been developed. By clearly analysing advantages and drawbacks in each system development aspect, this review can be used as a reference guideline for developing systems of soft-tissue simulations.

1。介绍

在人体,通常分为硬组织和软组织。在硬组织时不变形在人体的运动,软组织总是与他们交互时变形,其他组织和手术工具。建模软组织变形在整个器官或器官的部分地区仍然是最具挑战性的问题之一在生物医学工程领域。特别是有效的软组织变形行为融入医学仿真系统面临着两个约束条件与计算速度(或计算时间)和系统精度。计算速度计算的迭代的数量是一个软组织仿真系统可以在一秒钟执行一个特定的硬件配置。通常以帧每秒(FPS)或赫兹(Hz)。计算时间是一个时间需要运行数据采集、数据预处理/后处理,物理行为的模拟和数据可视化软组织仿真系统。此外,被认为是两种类型的精度。第一个涉及到模型的准确性,量化的亲密协议模拟和实际行为之间的软组织。第二个处理系统精度影响的交互设备精度,算法精度,模型精度。 Interaction device accuracy is the degree of closeness of the measured values of a physical quantity to its true values. Algorithm accuracy quantifies the correctness of an implemented computational process in relation to the true process. Note that these accuracies should be within the clinically acceptable accuracy bounds for each medical application. In fact, to realistically simulate both geometric deformations and mechanical behaviors of soft tissues within a medical simulation system, computation speed must be in real time [1),系统精度必须在根据每个医疗应用程序所需的宽容度。注意实时通常被定义为一个速率兼容的图形动画每秒30帧率(FPS) [2]。此外,还包括实时力反馈的响应率软组织与其他物体相撞。这个速度必须100赫兹到1000赫兹,这样人类触觉感知能感觉到碰撞没有中断(3]。重要的是要注意,虽然真正的时间是最重要的一个要求,临床应用,大多数软组织仿真系统很难满足可接受的模型精度和实时计算速度(4]。例如,井等人表示,此次收购的内部躯体感觉实时数据至关重要,因为可用于在线实时诊断和评估过程在外科的应用程序(5]。何鸿燊等人表明,可视化和实时计算的变形在软组织手术模拟至关重要(6]。计算机辅助外科手术领域的实时估计的软组织变形(也是最重要的一个挑战7]。注意,在图像引导手术系统,计算时间通常是昂贵由于医学成像和额外的在线数据采集数据处理。事实上,大多数仿真系统与软组织变形很难满足实时需求(8),他们不能正确地计算软组织变形,有效地实现实时计算速度(7]。然而,尽管这种硬约束,许多战略已经发展为提高软组织仿真系统的计算速度和准确度。

开发软组织仿真系统是一个复杂的工程任务组成的多个方面。他们每个人都有自己的贡献目标系统的精度和速度。从系统工程的角度,实时医疗仿真系统的四个重要方面包括计算方法、交互设备,系统架构,和临床验证。建模软组织变形计算方法是首先根据当前需求关于系统计算速度和精度。重要的是要注意,计算速度和系统精度主要受到适当的选择计算方法估算软组织的变形与外部输入因素。然后选择软组织模型之间的接口交互设备和真实的物理环境。这个接口需要在实时和可接受的精度。这通常要求消耗大量计算系统的成本。系统架构也必须妥协合作开发所有系统组件等软组织模型和输入/输出交互设备。在这方面,系统执行方案和系统框架应该精心挑选来优化系统性能。 Finally, once fully developed, the system must be validated through different validation levels so that it can be used in a target clinical application. Those validation levels include geometrical validation, model validation, system validation, and user acceptability/safety validation. Generally speaking, to simulate soft-tissue deformations in real time while keeping an acceptable realistic level of soft-tissue behaviors, all of the above aspects must be individually and systematically analyzed and developed.

尽管实时软组织的问题模拟也回顾了,先前的审查研究很少分析实时的挑战是如何在整个系统中有效解决。特别是,所有系统开发方面都应彻底检查描述计算速度和系统精度要求。然而,这些研究只关注模拟特定类型的软组织在医疗应用程序中,和他们不关注如何有效地实时约束解决了。举个例子,在一个有趣的评论论文提出Delingette现实软组织建模在医学模拟的完整描述是描述9]。然而,它只显示了三个主要问题在医学仿真系统逼真地模拟软组织时,但是解决这些问题的方法是没有分析。除此之外,本文是在1998年进行的技术在最初的发展阶段,因此许多研究,有效地解决了软组织变形问题没有分析综述研究。太阳et al。1]也检验了组织模拟程序的相对多样性与计算机技术的帮助。尽管这方面的研究在组织模拟程序(3 d重建、组织分类和临床应用程序),它没有关注软组织建模和刚刚在描述各个方面的一般想法而不是分析方法的优点和缺点/算法应用在各个方面。此外,本研究并没有回答的挑战是如何实现实时计算速度和可接受的解决了系统精度。主要分析建模的物理变形的优点和缺点,Nealen et al。10)提出了一个完整的描述关于数学函数,物理意义的解释,并分析计算结果,但他们主要关注每个建模方法的精度,而不是计算速度当工作在一个特定的仿真系统。到目前为止,软件/硬件技术的丰富发展和软组织建模方法,大量研究提出合理有效的解决方案为实现实时计算速度和可接受的系统精度仿真系统。不过,他们尚未完全是一种系统化的方式进行了总结和分析来估计未来发展趋势和软弱。因此,补充那些缺口,本综述论文提出回答下列问题:(1)如何计算方法被开发为实现实时计算速度和保持可接受的系统精度?(2)交互设备已经在实时软组织仿真系统界面的有效吗?(3)系统架构开发如何配合计算方法和实时交互设备吗?(4)如何实时软组织仿真系统在临床应用验证吗?

此外,实时软组织仿真系统顺序提出了文献分析和总结四个系统开发方面:计算方法,交互设备,系统架构,和临床验证。此外,每个发展趋势和差异方面也提出了。为未来的研究终于提出了建议。

2。材料和方法

进行了系统回顾方法使用棱镜协议(11)(图1)。三个科学数据库选择:ScienceDirect PubMed和IEEE。在更多的细节,关注人类软组织上/下肢肌肉,面部肌肉,肝脏,和皮肤。也是一个特别关注的贡献与计算方法的改进和/或使用有效的硬件/软件系统实时医疗仿真系统的体系结构。最后,其他文章重点分析实时软组织模型系统的应用验证,用户可接受性和安全需求包括在内。注意,在这个目前的审查,数学本构的方法指的是发展战略配方基于一个特定的软组织变形计算方法。综述了研究与基于网格和meshfree方法。算法的程序来计算软组织变形使用特定的建模方法。模型是指使用基于网格和meshfree-based软组织变形的数学表示方法。一组搜索术语定义的文献调查,然后,每个术语提出了一个搜索词的使用和/或运营商。 The used search terminologies and their appropriate search terms are listed in Table1。系统信息检索过程,期刊文章发表到2017年12月进行了评估。

2.1。选择方法

选择是最重要的程序选择合适定性和定量系统综述的文章。从搜索引擎识别后,检索到的文章自动保存到合适的文件夹使用Mendeley论文管理系统。两个独立的评论者(TNN和运输大亨)筛选和选择相关的论文进行综述研究。他们也参与到质量评估。共识的讨论是在必要时为解决分歧。的数量包括/排除文章总结表2。首先,重复检查Mendeley复制工具的软件。重复的论文的数量在这个阶段是1610对所有搜索词。然后,一般和特定的合格标准是适用于所有无法匹敌的文章。标题入选标准首次用于过滤掉不相关的文章。973年在这个阶段包括文章,然后注册到抽象的过滤标准选择最相关的文章。读完所有的摘要,包括92年的文章被阅读全文,选择最好的定性和定量系统综述的文章。最后,包括文章的数量是55。具体来说,选拔程序的流程图说明包含/排除文章的数量每次选择后阶段如图1。回答确定研究问题,选择55论文被分为四类。第一类问题的计算方法建模人类实时软组织的变形。第二类与交互设备的缺点和优势获取外部数据从软组织和可视化处理数据。第三类处理医疗硬件/软件系统的特点,组成的图形用户界面(gui),编程语言,编程框架,为开发软组织仿真系统和其他技术。最后的类别组成的系统验证临床上下文和用户可接受性的分析和开发系统的安全要求。另外,每个选定的论文也可以在多个类别分组,如果其内容相关的多个类别。

2.2。合格标准

包含/排除标准明确定义基于每个搜索术语的含义。入选标准的列表为每个搜索术语表所示3。此外,文学保持在一个较高的学术水平,只有期刊文章被认为是目前审查。此外,会议的几页的文章最初是消除。其他类型的低质量的书面形式如字母、判断,本章也没有选择。除此之外,不是用英语写的文章被排除在文献综述。

2.3。质量评估

建立了质量评估过程对每个分析论文的质量。十八是非评估项目定义和使用。论文相关计算方法偏差进行评估使用以下四个项目:(1)是描述的方法充分利用/开发和参与组织行为?(2)使用的验证well-performed /开发方法?(3)使用/执行的验证系统开发方法?(4)方法真的满足实时约束?论文相关的交互设备偏差进行评估使用以下四个项目:(5)系统的设备选择好吗?(6)设备精度足够的实时约束?(7)是临床常规的设备容易使用?(8)设备价格适用于临床? Papers related to system architecture bias were evaluated using the following four items: (9) Was the system adequately described? (10) Was the system developed with the participation of the end users? (11) Was the system scalable? (12) Were the system frameworks adequately selected for implementing the system of interest? Papers related to clinical validation bias were evaluated using the following six items: (13) Was the study adequately validated with in vitro data? (14) Was the study adequately validated with in vivo data? (15) Was the study adequately validated with patient data? (16) Was the level of validation suitable for translating the outcomes into clinical routine practices? (17) Was the user acceptability performed for patients? (18) Was the user acceptability performed for clinical experts?

请注意,用户可接受性验证后通常进行开发一个完整的模拟系统。这种验证目标验证可接受性水平相关图形系统的用户界面,系统的易用性,系统的功能,系统的鲁棒性,等等,在短期或长期评估活动对临床医师。发达的验证方法,一个错误检查表相关的输入数据,算法执行和输出可视化定义。“well-performed”类别分配给一篇文章如果所有这三个元素是满意。

3所示。结果

3.1。整体质量评估分析

统计结果的质量评估过程展示在表4。总的来说,大多数选择文章描述,验证,验证了计算方法。组织行为选择研究中描述。超过80%的文章塑造组织的物理特性的方法,而其他人只是专注于软组织变形。大多数作者都进行验证(76%)和验证步骤(89%)。为例子,研究Cotin et al。12),开发方法显然是描述后,作者设计一个例子系统使用方法并分析了计算结果。他们的输出与其他方法相比,表现出更快的计算时间和更高的精度水平。可视化也清楚地表明计算变形和碰撞虚拟手术工具。系统性能和准确性也测量和验证。因此,验证well-performed在这项研究。验证过程中没有well-performed Allard et al。13),因为他们主要介绍了沙发框架,作者只是通过视觉评估验证他们的结果。尽管实时约束是强烈要求目标的研究中,只有65%的发达计算方法很满意这个约束。其他人就几乎达到了实时条件。例如,计算帧率近30 FPS。此外,所有的交互设备都是足够准确的用于临床常规和可接受的价格,他们也选择了适当的计算方法和系统架构。此外,这些选定的设备的数据传输带宽相对比计算和图形渲染速度快得多,所以他们都适合实时应用程序。超过50%的文章都推出了他们自己的计算方法发展成一个仿真系统。他们也描述了体系结构和框架的实现系统未来的发展。然而,这些系统都很少开发最终用户的参与。他们主要是测试与开发人员,没有许多来自用户的反馈。 Most of implemented simulation systems could not be directly transferred into the clinical routine practices due to lack of validations with在体外,在活的有机体内和真正的病人数据。仿真系统的计算结果往往与进行验证在体外从幽灵组织获得的数据与物理测试机器。由于获取数据困难的生活器官,只有13%的研究使用临床验证在活的有机体内数据。此外,只有外部数据如变形。最后,用户和专家可接受性方面偶尔(即。研究)的调查,只有4%和7%。注意,大多数发达系统最初设计用于测试和验证计算方法而不是开发真正的临床应用。

3.2。计算方法

为了实现实时计算速度呈现和计算软组织变形时,两种建模方法被普遍采用。第一种方法,我们称为模型发展(MD)主要集中在几何离散化策略和数学软组织应力-应变关系的本构配方。软组织模型开发了使用这种方法通常与单线程执行平台以更快和/或更准确的方式。第二种方法,我们称为本构模型实现(MI)与现有的本构模型的算法实现使用开发方法为软组织变形到一个更强大的硬件配置,如图形处理单元(GPU)系统。因此,系统可以计算软组织模型比传统的更快和更强劲。特别,这个概念是指一个家庭更适合编程算法的并行化执行任务的建模方法开发的,这是传统的一个单线程的平台上运行。例如,伯克利等人解决一项医学研究有关线性有限元的发展从减少对象(L-FEM)方法建立了运动学(14]。L-FEM方法适用于建模的线性弹性软组织。该方法速度比有限元法。此外,在研究Joldes et al .,总拉格朗日(TL)配方应用于改善传统有限元法的计算速度(15]。此外,拉格朗日总显式动力学有限元方法(TLED-FEM)配方是由米勒等人也能跑的更快比有限元法在执行同一CPU-based平台(16]。关于模型的实现(MI)的方法,只有隐式时间积分的有限元方法已被证明是最适合并行实现。这种方法在GPU平台中实现了泰勒et al。17]。

有趣的是,大多数研究集中在开发新的数学方法建模软组织变形而不是实现建模方法发展成一个特定的硬件配置,加快计算速度。分布的两种方法在选择文学如图2。显然,共有55个研究中,超过80%的软组织变形的研究提出了模型发展虽然只有18%的研究了特定的硬件加速现有建模方法的优点。关于医学的方法,我们分组所有发达计算方法分为三类:网、meshfree和混合建模方法(表5- - - - - -7)。在更多的细节中,基于网格建模方法参考有限元法(FEM)的发展及其变化实时模拟软组织变形(图3)。meshfree-based建模技术是指软组织模型的分解成更简单的物理子或没有啮合感兴趣的领域(图表示4)。合作的混合建模方法利用多模型建模方法提高计算速度和精度。根据每个选定的分布研究建模方法显示在图2。结果表明,多达51%的相关研究基于网格的方法。使用meshfree-based方法达到42%以上。最后,混合方法的比例大约是7%。

3.3。模型开发方法

3.3.1。基于网格建模方法

基于网格建模方法分为四种常见计算策略:有限元建模方法(FEM), precomputation-based有限元,formulation-adapted有限元、边界元方法(图5)。注意,在这个目前的审查,术语“变形模型”与软组织模型使用一个具体的建模方法,开发“仿真模型”一词指的是一般意义的数值模型。

有限元法(FEM)已普遍使用的文学尽管很高的计算成本。可变形物体是由一组基本的组件称为几何网状有限元素。这些元素连接在一起的节点数量的大小定义有限元模型。材料属性通常被分配到每个有限元。然后,固体变形的物理行为是由一组描述的本构方程。最后,解决这些方程与规定的边界节点和加载条件导致可变形物体的应力-应变关系。有限元法提供了一个非常高水平的准确性和现实在线性和非线性情况下变形。例如,吴et al。30.]面部肌肉的有限元建模,动画的面部表情。每一个肌肉被认为是一个不可压缩超弹性的材料。每一块肌肉模型包括1180个节点和28320个自由度。注意,计算时间无法实时实现。Karami等人采用的有限元建模的眼外肌肉(加工)眼睛估计肌肉激活和方向35]。眼球模型包括1970个节点和8638个元素。每个肌肉模型包括1100个节点和2673个元素。解决模型所需的计算时间是20毫秒。

有限元的precomputation-based有限元法是最受欢迎的变化。这种方法使用机械力和变形之间的关系的预先计算的准确与完整的物理和生物力学有限元特征来训练一个近似模型。为了实现这一目标,一个数据库的精确有限元仿真结果需要构造先验。模拟模型的计算精度和速度取决于类型的采用近似技术,如线性/非线性回归函数和机器学习(ML)。通过使用这种策略,Cotin等人开发了一个肝脏手术仿真系统(12]。Sedef等人提供了一个实时的解决方案和实际的有限元模拟粘弹性组织行为医学培训根据收集到的实验数据从一个机器人测试人员(19]。塞拉等人提出了一个有效的解决方案来处理切削模拟的拓扑变化(20.]。Peterlik等人与现实的触觉反馈和模拟人类肝脏变形嵌入非线性几何和材料参数(3]。Morooka等人设计了一个微创手术导航系统使用神经网络模型(31日]。Martinez-Martinez等人决策树和两种基于树的整体方法用于模拟胸部压缩(36]。Lorente等人应用决策树,随机森林,非常随机树模型来模拟生物力学行为的人类的肝脏呼吸作用[8]。Tonutti等人也应用人工神经网络(ann)和支持向量回归(SVR)算法学习预先计算的数据从人类肿瘤的有限元模型7]。Luboz等人使用一组帧压缩成一小部分模式的压力适当的正交分解(37]。这种方法允许总结模式来描述一组线性标量系数,和这组压力减少地图模式然后输入应变场的有限元计算模式。

formulation-adapted有限元法开发了数学交流的有限元公式与其他建模方法。其中一个叫做线性有限元法(L-FEM)的运动行为的模拟对象线性化的一阶近似在一段特定的时间。因此,从减少对象有限元模型建立了运动学也简化和执行比原来快得多。由于简化,L-FEM只适合对软组织建模与线弹性材料。例如,伯克利L-FEM等人应用到虚拟缝合应用程序(14]。此外,Audette等人一个有限元模型划分为多个submeshes [18]。submeshes都是独立计算的并行线程输出局部变形的实时操作系统。加西亚等人提出了另一个称为矩阵的方法减少系统减少有限元(MSR-FEM) [21]。该方法集中在计算感兴趣的区域,而不是整个模型。顺序还原法(ORM)是由Niroomandi等人减少复杂的非线性有限元计算实时模拟(29日]。总拉格朗日(TL)配方也应用于有限元模型,提高计算速度。Joldes等人利用这种方法开发了一个有限元模型有效的沙漏控制应用程序(15]。该方法的一个变种,称为拉格朗日总显式动力学有限元方法(TLED-FEM),也由米勒等人的图像引导手术应用程序(16]。这种方法也受雇于Joldes等人来模拟人类大脑的变形(15]。他们都成功地改善的尺寸和计算速度发展模型。提出的另一个版本的TL-FEM Marchesseau等人被称为雅可比矩阵乘法能量分解(mj)有限元法26]。这种方法优化刚度矩阵的生成在TL-FEM在每个迭代解线性方程组。Turkiyyah等人针对物理模拟网格切割由于实时控制的不连续的基本功能和全球变形速度增量更新的方法(28]。最后,共轭梯度有限元前提中的元素(电子束曝光PCG-FEM)是由高和Sirouspour32]。该方法结合有限元法和共轭梯度法在运行时通过交错网格拓扑计算的迭代。因此,开发模型和有限元方法,将比原来更快执行期间需要更少的系统记忆。一种新的预处理技术(pre-cond FEM)也是Courtecuisse等人提出的改善软组织变形的计算时间(33]。这种技术可以模拟拓扑变化和触觉反馈均匀和非均匀材料的可接受的精度。

边界元方法是基于表面变形推导出内部实时变形。蒙特塞拉特)等人开发了一个手术仿真系统使用这种方法(4]。与有限元法相比,本只需要对象的离散化的表面,这样可以提供一个优化,快速、容易实现。基于地表的软组织模型方法开发另一个叫做拉普拉斯算子的表面变形(LSD)首次提出Sorkine et al。41]。基于拉普拉斯算子方法代表了对象表面的网格。王等人也使用LSD鼻子手术方法在一个完整的外科系统自动个人假肢设计(48]。Goto等人统计分析方法(SAM)用于检测面部表面特性通过2 d图像,然后,检测到的特征被映射到一个通用的三维面部模型生成表达式使用表面变形方法(39]。此外,面部表情估计的计算速度提高了使用扩展基于迭代收缩边缘的多边形网格方法由Bonamico et al。40]。Chandrasiri等人提出了一个战略对mpeg - 4 FAP转换获得的面部表情(60),流强劲表面变形三维面部模型和实时42]。Wan et al。49和伍德沃德等。55)使用landmark-based和”再也面部表情估计面部动画三维表面模型。使用的方法是径向基本函数(RBF)和测地距离。勒等人带薄壳线性变形模型的优势通过面部重建面部造成位移标志(50]。

3.3.2。Meshfree-Based建模方法

基于网格建模方法相比,meshfree-based建模方法使用表示连续的离散点,和需要插值方法的优势解决偏微分方程(pde) [59]。因此,模拟软组织对象通常被建模为一个分布的离散节点形成一个完整的内部体积模型。这些节点与形状函数嵌入形成模型的刚度矩阵和描述软组织生物力学特性的对象(56]。特别是,这种方法不需要进行预处理细胞所有元素估计全球变形和基于网格建模方法一样。因此,meshfree-based建模技术是远远高于基于网格建模策略,而且可以实时模拟大变形。由于这些优势,meshfree-based建模方法获得科研界近年来的关注。使用meshfree-based策略最受欢迎的方法之一是质量弹簧系统建模(MSM)方法。Nedel等人应用MSM方法模型实时肌肉变形(38]。布朗等人应用的MSM方法手术训练系统(2]。陈等人也用开发的可变形模型的MSM触觉手术仿真(44]。男男同性恋者也被应用于模拟3 d模型的人类腹股沟区Lopez-Cano et al。45]。Ho等人开发了一个可变形的鼓膜使用MSM方法模拟虚拟现实中的实时变形和切削鼓膜切开术模拟器(6]。meshfree-based方法的另一个众所周知的方法称为张量方法(MTM)质量建模对象的近似成四面体网格。在每个四面体MTM,四个顶点的位移向量是线性插值到这个四面体的位移场57]。MTM Mollemans等人用模拟骨后的软组织变形位移(43]。改进的男男同性恋者被称为(MSD)质-弹Basafa和Farahmand提出的建模方法是47]。结果说明,用一个简单的多维数据集模型包括96个节点和270个四面体,计算时间是大约0.005年代的每一步。男男同性恋者的另一个改进是由Goulette等人称为超弹性的质量链接(HEML)的部队被认为是在一个特定的节点力之和函数从邻近的节点与它(53]。实验表明,21436 -四面体HEML模型,相应的计算时间是21.24毫秒47 FPS。meshfree-based方法的另一个方面Lim和德提出的被称为有限范围的点collocation-based方法(PCMFS) [46]。这项技术是基于多分辨率之间的组合方法和非线性变形的快速分析策略活动地区联系的手术工具提示。独特的建模方法对meshfree-based方法逆动态井等人提出的计算(IDC)的肌肉骨骼系统(5]。张等人开发了一个elastic-plus-muscle-distribution-based (E + MD)模型的面部肌肉分布实时生成的面部表情(51]。另一种方法称为省时的体积能量守恒的链甲(TSVE-ChainMail)提出的Zhang et al。54]。该方法由传统的链甲法模型表示为弹簧系统。周等人还提出了一个马夸特径向基无网格方法(MRM)软组织切割(56]。除了这些研究,重要的是要注意,一个大范围的软组织模型(大脑,韧带,和房室瓣膜)也使用得到伽辽金法和isogeometric法[开发61年- - - - - -65年]。由于使用关键字,现在检查不包括这些作品。因此,有兴趣的读者可以使用更特定的关键词获得关于这些方法的信息。

3.3.3。混合建模方法

混合方法在文献中已经深入调查由于其合作函数,利用从多个方法。例如,尽管mass-tensor方法(MTM)快,适合实时模拟软组织变形,它仍然缺乏现实的生物力学特点,特别是模拟非线性材料。另一方面,有限元法已经现实的模拟软组织的生物力学行为,但它具有较高的计算成本。此外,precomputation-based方法(预合成有限元)有很高的性能模拟软组织变形实时基于有限元的预先计算的数据,但是他们不能处理拓扑变化。因此,MTM之间的组合,有限元,预合成有限元法不仅可以实时模拟变形也处理切割和撕裂实际非线性材料。这种方法最初是由Cotin et al。57]。这项研究的结果表明,更新频率能够达到40 Hz的MTM 760点和4000的边缘。Yarnitzky等人结合物理运动学模型与当地FE模型来估计在足底压力和变形的脚的软组织在步态(58]。阿拉德等人介绍一个著名的沙发框架支持生物医学研究人员到模块化和灵活地开发新的软组织形变模型(13]。框架是由多个建模方法结合有效地模拟软组织根据他们的需求水平的实时约束。朱和顾也应用多种建模方法开发混合动力变形模型实时手术仿真(59]。等不同的合作组件存在于系统边界元素法(BEM),弹簧质点方法(MSM),和一个粒子表面插值算法。

3.4。模型实现方法

模型实现(MI)方法主要小说在软组织模型的算法实现基于建模方法开发到一个更强大的硬件配置。这种方法可以提高计算性能发达软组织形变模型,甚至比医学方法更快和更健壮。特别是MI方法主要旨在寻找更合适的编程算法并行化的执行功能软组织形变模型到一个图形处理单元(GPU)平台而不是到中央处理单元(CPU)平台。基本上,gpu是高度并行体系结构的组成。每个单独的GPU包含大量的处理器和内存分割,和每个处理器独立的数据分布。因此,尽管gpu的时钟频率通常小于cpu, gpu的总体计算速度比cpu快得多,即使可以由多个处理内核的cpu。此外,各种编程框架支持模型实现一直在改进一个简单和灵活的方式。两个经典接口曾在gpu编程OpenGL,应用程序编程接口(api),举,从NVIDA CUDA,中医从ATI。这些框架已经写在高级c编程语言,给建模带来很多好处在GPU上实现他们的开发方法执行有效(17]。分析GPU实现手术模拟了由Sørensen和Mosegaard [66年]。他们得出的结论是,gpu将变得更加强大和具有成本效益的平台实现实时软组织形变模型的医疗环境。然而,能够实现受益于这种实现方法,建模方法开发必须兼容并能够重新配置与并行计算66年]。第一个模型实现策略提出了泰勒et al。17]。作者实现了一个模型使用拉格朗日总显式动态(tl)有限元法在NVIDIA GeForce 7900 GT的GPU平台,和结果表明,实现的模型的计算速度比CPU-implemented模型快得多。人类大脑模型使用TLED-FEM也是NVIDIA Tesla C870 GPU平台上实现由Wittek et al .,和计算性能也有明显的加速24]。例如,18000个节点和30000个元素的大脑模型(大约50000个自由度),估计大脑变形的平均时间是不到4 s在GPU上实现的,和时间上实现CPU平台是40年代。使用显式有限元模型在模拟器实时皮肤也通过研磨机等人在GPU平台上实现,仿真结果可以加速实现实时目标(25]。Joldes等人雇了一个使用编程指南NVIDIA GPU平台统一计算设备架构(CUDA)加快TLED-FEM人脑模型(23]。使用TLED-FEM Strbac等人也使用模型到多个通用的图形处理单元(gpgpu)来评估这个实现与当前商业解决方案的效率(34]。实验评价表明,当模型的大小从125增加到91125的元素,计算时间从1到1小时39分钟37年代有限元分析商业软件上运行,从0.149到34.143年代最强大的GTX980 GPU上运行。Courtecuisse等人提出了一个实现,称为线性有限元法(L-FEM),这是线性弹性材料之间的组合与有限元法(27]。相类似的等人部署模型中的元素使用预处理共轭梯度(电子束曝光PCG)有限元方法GTX470 GPU加速变形实时计算平台(32]。隐式时间积分非线性有限元的GPU平台也由Courtecuisse et al。33]。

3.5。交互设备

除了模型开发方法和实现方法,交互设备对整个系统的精度和计算时间作出了重大贡献。用户命令后转移到计算机系统通过输入设备,计算机系统必须执行模拟模型根据指挥策略。一旦完成,每个模拟迭代估计反馈从模拟模型通过输出设备传输给用户。因此,输入/输出交互设备的总精度和软组织模型必须至少等于在每个医疗应用程序所需的精度公差。不同的交互设备已经使用了研究。然而,由于目标聚焦于发展建模方法,多达42%的审查研究没有使用交互设备的仿真系统。剩余的交互设备的研究可以分为不同的类型:虚拟手术器械和力反馈设备,3 d扫描仪,生物力学传感器,电脑的人机接口设备,3 d电视观众,2 d和3 d光学相机。使用的统计分布交互设备如图6。显然表明,虚拟手术器械已普遍使用19研究,观众和装置使用的至少3 d和2 d光学相机只有3研究。第二个最受欢迎的交互设备的力反馈设备研究15日被发现。其他剩余的交互设备已从4到6只利用研究。事实上,大多数的研究利用力反馈设备总是结合虚拟手术器械与模拟模型进行交互。此外,当然其他交互设备用于计算机系统,如电脑屏幕和电脑键盘,没有深入分析综述论文仿真系统由于其明显的贡献。

3.6。虚拟手术器械和力反馈设备

虚拟外科手术工具广泛结合力反馈设备之间通信用户和一个模拟模型,使仿真系统可以变得更加灵活和现实的。虚拟手术器械的功能是传输控制信号从外部实际设备反馈计算生物力学参数的模拟模型和模拟模型的外部触觉设备(2,14,44,47]。传输数据的速度从/到模拟模型必须相对较高,这样的可视化和触觉反馈可以模拟现实2,14]。力反馈设备的输入/输出设备之间的接口有一个函数用户和虚拟手术工具。当收到虚拟手术交互工具,模拟模型会做出反应,计算模拟触觉力在每个迭代。这些计算触觉力最终反馈到设备通过虚拟手术工具(12,18- - - - - -20.,27,44,53]。结果,用户会感觉与之交互的一个真正的软组织反应部队时收到的力反馈装置(3,12]。例如,Cotin等人使用这种组合在外科手术模拟为外科医生提供触觉感觉(12]。Audette等人用7-degree-of-freedom(景深)触觉设备结合手术工具的技巧是固定的触觉装置仿真系统的更现实的(18]。Chen等人研究的一个商业幻影触觉装置3自由度力反馈和6自由度位置和姿态是用于触觉手术仿真(44]。塞拉等人开发了一种新的力反馈系统称为理智™幻影桌面™触觉装置(20.]。设备是结合一个钢笔规模处理,他们都连接到一个机械臂关节灵活engine-forced模拟一个虚拟的外科手术刀。Courtecuisse等人使用一个虚拟的腹腔镜抓紧器,它是由一个Xitact IHP触觉装置(27]。Peterlik等人使用一个虚拟触觉接口点(臀部)由幻触觉控制设备来计算触觉力反应肝脏模型基于位移之间的臀部的立场和肝脏的三维表面模型(3]。

3.6.1。三维扫描仪

3 d扫描仪可以分为两类:结构和表面扫描仪。使用最广泛的结构已经CT和MRI扫描仪在文献中。Cotin等人创造了一个人类肝脏的解剖模型从核磁共振图像12]。Marchesseau等人CT图像用于创建几何模型的肝脏(26]。此外,表面3 d扫描仪也被用于研究基于地表的软组织建模方法有关。最流行的基于扫描仪使用激光扫描仪和超声波扫描仪。他们利用测量激光的飞行时间/超声束估算激光/超声源之间的距离和对象的表面。这些扫描仪快速、能够实时获取物体表面。激光扫描仪比超声波扫描仪更准确,但激光可以非常有害的软组织长期收购期间的生活。例如,蒙特塞拉特)等人采用3 d超声扫描仪(美国智能涡流系统囊GP10)捕捉3 d模拟对象的外表面基于边界元建模方法(4]。结合表面扫描仪和结构性扫描仪也被证明是有效的精确重建表面和结构的细节。王等人结合三维激光扫描仪和横向x射线扫描仪的方法(48]。事实上,三维激光图像包含3 d人脸的几何点云和颜色转变为比较和横向x射线图像切割脸上的鼻子部分。这种组合提供了一个高质量的和特定的人脸模型的外观。

操作。生物力学传感器

大多数生物力学传感器用于软组织建模系统电磁传感器、力传感器、和肌电图传感器。布朗等人使用电磁跟踪器(miniBRID提升技术合作)跟踪行为真正的外科镊[2]。Sedef等人附加力传感器(ATI工业自动化的Nano 17)结束时,一个真正的在外科手术探针测量部队套管针,以便用户能感觉到像是在一个真正的微创手术19]。Yarnitzky等人采用超薄力传感器测量每只脚的骨头凸起下安排下的力量跟骨、跖骨和趾骨实时监测脚的在应用程序内部变形下交互(外58]。肌电图(EMG)也用于井等人的研究获得肌肉紧张(5]。

3.6.3。个人计算机的人机接口设备

一些电脑的人机界面设备也被广泛应用于实时软组织仿真系统。他们都是灵活和方便用户操作。例如,Lopez-Cano等人使用电脑鼠标作为外科手术工具与一个虚拟指针指向人类腹股沟区变形的三维模型(45]。这个配置可以模拟垂直和水平拉伸变形的模拟模型。在一些模拟系统,电脑鼠标只能控制旋转模拟模式的视角21]。此外,它可以用于绘图切割形状到表面模型(48]。

3.6.4。3 d电视观众

3 d观众输出交互设备。他们是由两个单独的高分辨率屏幕或两杯连接在一起水平显示两种不同的图像帧,人眼。基于立体几何模型从人类的视觉,3 d电视观众可以创建深度感知人类的大脑,所以当使用可视化的3 d查看器模拟模型,图形渲染可以变得更为现实。一个典型的3 d查看器是由布朗等人使用立体眼镜加强深度的幻觉在视频帧2]。在可视化系统中,有两个图像帧显示:一个图像帧以红色标注,其他的是青色的。立体眼镜包括两种不同的滤色器左右镜片的眼镜,所以在同一时间,每个人眼能看到不同的图像帧。每一对图像帧转移水平创建的深度信息。不同的3 d立体3 d查看设备称为面罩被用来可视化模拟模型在虚拟现实鼓膜切开术仿真研究Ho et al。6]。这个设备包含两个不同的高分辨率屏幕上同时显示两个不同的图像帧。

3.6.5。2 d和3 d光学相机

2 d光学相机输入交互设备的功能获取物体表面的2 d图像帧。在表情识别中的应用,Chandrasiri等人发起了互补金属氧化物半导体(CMOS)相机捕捉2 d视频帧颜色的耳机用户面对[42]。普通摄像头可以在移动设备上也使用了翁等人在实时的面部动画的应用52]。特别是,从相机获得的离线2 d图像分析检测面部表情和克隆他们其他的2 d面部图像研究的Zhang et al。51]。最2 d光学相机的缺点之一是重建的能力深度视觉信息从单一视图,所以多个光学相机合作形成一个三维光学相机系统检测3 d数据。动作捕捉设备是利用3 d动作捕捉人的动态运动中井等的研究。5]。立体光学运动捕捉也结合面部标记检测面部动画的广域网等人的研究(49]。在36面部标记检测和灭克磷紧随其后,然后他们的运动转化为mpeg - 4标准的定义面部动画。伍德沃德等人使用现成的立体摄像头概略介绍面部动画应用程序(55]。应用于微创手术研究Moroka et al ., 3 d光学相机被集成到一个立体声内镜的尺寸足够小,用于限制导航空间(31日]。

3.7。系统架构

计算方法和交互设备已经开发在整个文学提高计算精度和速度的软组织形变模型,但他们不会强劲有效运作,如果软组织模型和实时交互设备不well-cooperated系统架构。本节将合成系统执行方案和编程系统的框架体系结构开发的文学。

3.7.1。系统执行计划

Cotin等人设计的第一次执行计划称为分布式执行计划的计算机系统和12月AlphaStation密切合作(12]。计算机系统的目的是为了计算触觉力和与触觉设备交换数据,12月AlphaStation可视化实时软组织的变形模型。两个计算机系统之间的通信环境是以太网连接。陈等人分布式开发触觉手术模拟两计算系统(44]。在SGI棱镜可视化服务器4 ATI FireGL gpu图形模拟,Windows计算机系统控制触觉设备和模拟触觉反馈。系统可以管理多个模拟模型通过使用一个新的外围协议称为虚拟现实外围网络(VRPN)开发的北卡罗莱纳大学。两个工作站系统也在仿真系统合作提出的微创手术Morooka et al。31日]。模型计算都是由第一个工作站而变形的第二个工作站只执行可视化和虚拟工具的形式改进3 d立体视觉深度的感觉。注意,传输带宽的限制含铅可视化力反馈之间的延迟。为了解决这个问题,多流执行方案,提出了布朗et al .,分布的两个任务的变形可视化和碰撞检测在两个不同的执行线程在一个双处理器机与两个450 MHz处理器(Sun Ultra 60) (2]。系统包括三个intercooperative模拟器:可变形物体模拟器,模拟器工具和碰撞检测模块。多头螺纹的想法执行在一个计算机系统也应用了Sedef等人在软组织仿真系统包括一个幽灵触觉装置,电脑屏幕和一个模拟模型(19]。Peterlik等人也实现两个异步计算线程上执行一个AMD Opteron处理器250 (2 GHz)电脑操作肝脏仿真系统(3]。主线程称为触觉线程获得职位的触觉装置,检测碰撞、触觉力,计算和计算模型的变形。仿真系统设计研究Goulette等人还包括多个计算模块加速系统执行(53]。两个模块并行线程的执行在英特尔酷睿2双核2.40 GHz, 3.45 GB的内存。因此,视觉率可以达到47 FPS。Audette等人设计了一个外科手术仿真系统包括自己的发达与7自由度触觉装置(18]。控制这个触觉装置,智能I / O板,称为DAP5216a / 626,操作提出了分别与计算机系统。另一个方案系统执行称为multimodel表示,提出了阿拉德等人在沙发框架内(13]。在这个方案中,每个软组织仿真组件可以由多个相关建模方法实时变形模拟,精确的碰撞检测,或现实的交互计算。最后,程序员的任务是设计一个切换器有效地替代建模方法根据每个适当的模拟问题。

3.7.2章。系统框架

系统开发框架必须认真选择,这样系统可以开发在高生产率和短的上市时间。一般来说,一个软件框架是一个泛化的软件结构中,程序员可以贡献自己写代码来修改这个结构到一个特定的应用程序。利用可用的配置和预先构建的库,可以开发仿真系统更加灵活和速度比在传统的开发过程。系统框架可分为四组:输入/输出交互框架,图形交互框架、模型框架,混合框架。对于输入/输出交互框架,触觉设备常用的文献中,他们常常被鬼(计算机系统的界面上的3,19,44和幽灵44)输入交互框架。这些输入交互框架都是免费和开源的。此外,其他交互标准输入设备,如键盘、电脑鼠标,网络摄像头和麦克风,还可以与计算机系统通过接口应用程序编程接口(api)支持的Microsoft Windows系统(42,45,48]。关于图形交互框架,最使用图形框架是OpenGL的2 d和3 d矢量图形可以快速呈现GPU-platform董事会。渲染任务可以执行在一个单独的计算机系统或在本地线程(3,6,18,19,38,44,45,59]。特别是OpenGL框架可以嵌入等多种类型的操作系统Android, iOS, Linux、Windows和各种嵌入式操作系统。此外,它还可以支持在多个编程语言(如c++、Python, c#,和Cg)。此外,CUDA™图形框架是由Nvidia公司。已经有大量研究使用CUDA框架实现仿真系统在架子上的图形GPU从并行执行董事会和取得巨大的利益结构在实时计算17,23,24,27,32,34]。另一个名为OpenCL的通用图形框架™也开发灵活的并行实现。一个图像处理框架称为虚拟的地方(AZE有限公司)还用于将三维变形转换为立体视频帧来创建深度感觉人类视觉(31日]。关于建模框架,GHS3D [26],TetGen [47],CDAJ-Modeler [31日)是用于从CT / MRI图像生成网格模型。此外,Maxilim软件也可以支持边界条件模拟(43]。此外,CHOLMOD开源库还可以用于解决线性系统在实时50]。最后,组合框架已经开发提供一个更加灵活和多功能环境开发整个系统。MATLAB是一种强大的组合框架包括面部分析工具箱用于面部表情分析(42];一个叫iso2mesh工具箱用于生成四面体网格的大脑及其肿瘤(7];一个人工神经网络工具箱来训练force-deformation数据(7];优化工具箱用于获得最优参数仿真模型模拟物理量表示;OpenGL图形库可以在MATLAB环境中支持模拟软组织之间的交互模型和手术工具(47]。还用一个Android编程平台(52]。此外,支持有限元实体模型,快速有限元建模软件平台(14和GetFEM + +3)也使用。对于并行线程,RTAI-patched Linux用于满足硬实时要求(18]。其他强大和更多功能的系统框架是沙发13,26,29日,33]和CHAI3D [6)框架。事实上,他们支持各种库和模块实现一个完整的仿真系统包括输入/输出交互设备驱动程序,几何模型库,模型库,算法和图形渲染模块。

3.8。临床验证

开发仿真系统的结果转化为临床常规做法,必须要求系统的验证。验证所有的努力在文献中被要求完成三个验证级别:几何验证,模型的行为验证,用户可接受性/安全验证。

最重要的组件在一个仿真系统的几何和物理模型。准确地模拟目标软组织,几何模拟模型和实际对象的外表必须合身。几何图形在一个特定国家通常比真实的体内/体外数据从一个相对准确的测量方法获得。CT / MRI通常被用来重建的三维几何模型感兴趣的组织。由于昂贵的处理时间和资源,这个方案是适合离线几何验证。例如,实际在颌面外科手术患者的数据存储和与预测出现改善的再现性能力仿真系统(43]。此外,软组织幽灵可以用来给几何验证的验证数据(7]。关于模型的行为验证,模拟的物理特性与真实的物理数据模型必须评估不同变形状态。最受欢迎的项目之一是使用数据从一个标准的商业仿真软件计算基线数据。例如,使用线性粘弹性有限元模型验证通过压缩试验解决提出的计算方法和ANSYS有限元软件包。结果表明,位移的最大误差小于1%19]。ANASYS软件也用于验证基于基于机器学习的模型有限元方法(36]。最近,Marquardt-based模型也被验证了ANSYS在肝脏仿真系统56]。有限元分析软件也被用于验证目的(17,24,32]。其他使用铁包与MSC NASTRAN 2003年被Yarnitzky et al。58)和LS-DYNA™是使用Joldes et al。15]。注意,开源包也被使用。沙发框架开发之间的绩效评估方法的执行环境和前面的建模方法(26]。除了几何和模型验证,用户可接受性/需要执行安全验证评估的质量系统和用户之间的接口在真正的临床应用。最受欢迎的项目之一是收集反馈的验证级别从专家和病人已经有经验的开发系统。Ho等人验证他们的虚拟现实鼓膜切开术仿真系统由表面有效性研究,验证问卷被送到八耳鼻喉科专家和四个高级耳鼻喉科居民评价系统在长时间与模拟器(6]。Tonutti等人进行了验证过程与没有实现开发系统,外科医生和证明的差异结果评估仿真系统的有效性(7]。

4所示。讨论

4.1。计算方法

有限元建模方法及其变化通常用于开发软组织形变模型。然而,系统精度和计算速度之间的平衡仍然是一个具有挑战性的问题。FEM可以模拟复杂软组织变形(67年,68年]。特别是商业有限元解算器是常用来评估一种新的有限元算法的准确性(21,22,24,32]。然而,使用有限元方法,只有满足实时需求如果被模仿小数量的元素(30.,35)或被GPU加速实现(23,24]。一般来说,有限元的计算成本成倍增加的节点数量的扩张尤其在非线性材料的模拟。因此,各种开发技术开发了提高计算速度。最常用的方法是precomputation-based技术。这种方法已被证明为一个快速、健壮的技术实时模拟变形,但与复杂的材料特性和大变形本构规律和动态拓扑变化不能处理在系统迭代,因为训练模型不能更新在线(3,7,8,12,19,20.,31日,36,37]。其他有限元的变化会极大地提高有限元法的性能。其中一个是线性化的情况下模拟对象的运动(14]的模型可以减少速度比原模型用有限元法,但现实的可视化的速度不够快,在医学的应用。的想法将有限元网格划分为多个submeshes并行执行(18]最初可以提高计算速度,但这种方法铅有限数量的线程能够处理在一个实时操作系统。矩阵系统等开发方法减少(MSR-FEM) [21)和顺序还原法(ORM-FEM) [29日)基于有限元的刚度矩阵的减少可能改善处理时间,但他们只是模拟小变形。总结合拉格朗日算法有限元法(22)及其修改称为拉格朗日总显式动态(TLED-FEM) [16)允许元素预先计算,因此将需要更少的计算成本为每个时间步。重要的是要注意,超弹性的和viscoeleastic本构模型以简单明了的方式使用显式时间积分方案实现使用自制的或商业有限元动力学。此外,雅可比矩阵乘法能量分解(MJED-FEM) [26)与隐式时间积分方案可以用于模型超弹性的,粘弹性和软组织的多孔弹性行为。然而,这些方法无法处理与其他模拟对象和拓扑变化之间的互动。拓扑的变化可以在提出的方法处理Turkiyyard et al。28),但他们无法解决有效地治愈削减,削减削减部分,和多个内部元素。更有效地模拟拓扑变化中的元素是前提共轭梯度有限元(电子束曝光PCG-FEM) (32)方法,但它不适合模拟多相材料。另一个潜在的方法称为预处理有限元(pre-cond FEM) [33可以大大解决这个问题。它可以模拟拓扑变化和均匀和非均匀材料的触觉反馈可接受的精度和实时的帧速率。

另一方面,meshfree-based技术近年来取得了极大关注。所有meshfree-based方法非常快,高度自适应拓扑变化,但他们不太现实比基于网格方法从生物力学的角度。最受欢迎的质量弹簧系统(MSM) [meshfree-based方法2,6,38,44,45]。该方法可以处理变形和拓扑变化,但它不能准确模拟非线性材料特性。MSM的改进方法是mass-tensor方法(MTM) [43)和(MSD)质-弹法(47]。他们可以更有效地处理非线性材料的男男同性恋者由于使用非线性弹簧质量的方法。男男同性恋者的另一个改进是质量超弹性的链接(HEML)方法(53]。该方法可以考虑生物力学之间的妥协方案实时精度和计算效率。不同的技术点collocation-based有限球体的方法(PCMFS) [46]。仅关注当地的利益,仿真时间可以显著降低,但检测的方法感兴趣的地区还没有定义有效。更多的在全球范围内,称为逆动态计算的方法(IDC) [5)可以计算出基于外部数据从传感器肌肉紧张。尽管可接受的精度,该方法不能分析单个肌肉。这个观点可以在调用的方法发现elastic-plus-muscle-distribution-based (E + MD) [51)的面部表情可以用于调查内部肌肉紧张。最近的方法称为省时的volume-energy-conserved甲(TSVE-ChainMail) [54)是强大的处理拓扑变化和模拟各向同性,各向异性和非均匀材料实时的速度。在这个阶段,可以实现实时变形但模拟对象之间的相互作用仍然是一个艰巨的任务。基于地表的方法来克服这个缺点(例如,边界元法(BEM) [4),拉普拉斯算子的表面变形(LSD) [41,马夸特径向基无网格方法(MRM) [56])。这些方法可以估计基于内部变形的表面上的变化,它可以通过表面处理模拟软组织之间的互动交互,但是他们不能够模拟非均匀材料,非线性松紧带,拓扑动态变化。此外,模型切割和针穿透问题也研究了使用扩展有限元法(XFEM)和meshfree-based软组织的方法。特别是,扩展有限元法(XFEM)已经被用于研究复杂的硬组织(牙69年),上颌磨牙,牙髓学的蛀牙70年])模型与断裂和裂纹扩展行为和软组织(角膜71年])与切削仿真模型。这个开放的新途径与更复杂的生物组织模型交互行为。

此外,许多研究已经进行的基于发达软组织变形方法实现模型GPU-parallel计算平台,并且他们都能达到更好的加速度相比,传统的开发方法。并非所有开发的建模方法都适合这种方法,非线性的隐式时间积分有限元方法已被证明是最适合并行实现。此外,额外的重新配置需要必须批准的适应当前的方法实现的硬件平台。当模型开发方法达到限制,新实现策略将加速他们当前的计算性能的必要条件。

重要的是要注意,计算速度和资源取决于每个特定的应用程序(如外科手术规划、手术模拟)软组织变形系统。例如,实时软组织变形行为,高速设备交互,和技能培训能力更重要的标准来实现计算机辅助手术仿真系统。此外,手术计划系统侧重于整个工作流从数据采集和previsualization特定手术治疗,然后预先确定的最优手术步骤。

一般来说,一个大范围的方法是模拟软组织变形。每个方法显示其鲁棒性和准确性为一个特定的案例研究。不存在普遍的方法,方法的选择直接取决于应用程序。重要的是要注意与拓扑动态变化,实时变形和准确的对象交互仍然具有挑战性的问题。的一个可能的解决方案涉及到多重建模方法的使用在整个仿真系统。然而,应该建立一个有效的合作战略,和先进的计算资源的需求需要得到满足。

最后,一个软组织仿真系统的计算速度很大程度上取决于使用的本构行为法律软组织生理建模。超弹性的弹性,粘弹性法律发达实时仿真系统中常用的上、下肢肌肉,面部肌肉、肝脏和皮肤组织。重要的是要注意,更复杂的本构规律如机电模型可以用于通用建模骨骼肌(68年)或心肌72年,73年]。然而,这些复杂的模型处理额外的计算需要和需求达到医学仿真系统的实时能力。线性和非线性弹性材料应力-应变关系被描述。超弹性的材料描述了使用新虎克和Mooney-Rivlin配方。重要的是要注意,一些额外的组件集成到线性弹性法律来提高计算速度和模型精度。例如,线性弹性的结合法律执行corotational方法(Courtecuisse et al。33])或者一个额外的质量弹簧模型集成到一个线性弹性法(朱和顾59])。关于所有软组织仿真系统分析,最常用的是线性弹性的。使用更复杂的法律(超弹性的和粘弹性)会导致更多的模型参数,当然计算速度。

4.2。交互设备实时仿真系统

有各种交互设备造成不同系统的现实和计算性能。而输出交互设备主要提供现实的可视化和人类感官反应,有基本参与计算的输入交互性能,特别是在模型精度和计算速度。关于输出交互设备,电脑屏幕显示的表象模拟模型及其变形与虚拟手术器械和/或其他周边结构(6]。然而,他们缺乏深度信息只在二维空间使可视化成为可能。3 d电视观众可以补充这个缺点。像人类的幻想,这种交互设备可以创建3 d虚拟感觉人类的视觉基于左右场景之间的差异(2,6]。更实际的是,触觉反馈装置接收来自模拟触觉力计算模型来创建人类触觉(碰撞的感觉3,12,18,20.,27,44,53,57]。因此,合作的3 d观众和触觉反馈设备将变得更加强大的在为人类带来现实的感觉2,6]。特别是,力反馈设备已经普遍用于许多医疗应用程序(例如,手术模拟、外科培训,或微创手术18,44,53])。力反馈设备灵活配合各种类型的虚拟手术工具(例如,虚拟触觉接口点(髋关节),虚拟叶片,或虚拟手术刀)。触觉装置中使用最广泛的文学是理智的™幽灵桌面™触觉装置,及其灵活性依赖自由度的数量。重要的是要注意,模拟力反馈实际,触觉部队必须估计和转移到力反馈设备的速度从500赫兹到1000赫兹,这意味着模拟模型的计算速度比速度必须快(18,57]。此外,一个单独的控制器必须安装和执行一个或多个计算机系统保持实时计算速度(3,19,27,44,53]。

另一方面,一些生物力学量没有直接从生物力学测量传感器,所以模拟模型常用于推断内部物理特性基于外部知识。例如,在肌肉骨骼跟踪的情况下,EMG传感器通常与肌肉骨骼融合模型推断个体肌肉紧张根据标记的动作,由3 d光学跟踪摄像系统(5,58]。软组织的物理参数也可以推断出从软组织形变模型的运动表面标记,而不是直接测量的传感器。表面生产商正在被证明是非常健壮且灵活的估计变形外,但数量有限的标记能够穿上软组织表面导致减少估计变形决议,因此合成计算(31日,49,55]。3 d扫描仪如MRI / CT扫描仪(8,12,26)和3 d超声扫描仪(4]曾对细节表面重建3 d空间,但他们的收购时间慢(MRI / CT扫描仪)的情况下,缺乏表面特征(如三维激光扫描仪和超声波扫描仪),对人类健康有害感染(如CT和激光扫描仪)使他们不适合实时跟踪外部软组织的变形和长期使用。这个问题最初是通过2 d之间的组合来解决光学相机和添加更多的x射线图像表面特征(48),但外表是静态的,无法估计动态变形。因此,其他设备都有收购的能力在3 d空间细节表面变形和表面特性在线需要大幅提高计算速度和软组织仿真系统的模型精度。

4.3。在模拟系统中合适的执行计划

管理数据传输/ I / O交互设备和计算模拟模型以一种最优的方式,必须开发一个合适的系统执行方案。有两个主要系统执行计划。在发布出去是依靠计划(12,31日,44),系统在多个计算机任务是高度并行,以有限的带宽和slow-transmission界面的环境。这个计划允许系统任务执行独立和利用多个计算硬件,但是问题出现时在多台计算机之间的通信延迟。因此,数据传输仍然不够快,在多个计算机系统之间有效的沟通。这个问题已经被很多尝试,比如最初解决高速以太网和高速数据传输协议,但他们不够高效实时传输大量信息。在多流方案2,3,19,53),系统在多个计算任务的执行线程。因为所有的线程都通过一个高速内部总线连接,有近一个线程间的数据传输的延迟。然而,由于计算强度和内存容量的限制单个线程在一个计算机系统,仿真任务(s)必须简化和优化能够执行一个线程。这是一个具有挑战性的任务模型的发展和实现。幸运的是,这一挑战可以很容易地解决了硬件技术的发展提供更多的线程集成在单个CPU或更多的CPU促进在一个计算机系统。此外,合作的两个执行方案还发现在文献[13,18]。在这种情况下,开发了各种类型的数据采集板快速管理输入/输出数据流。这些板是在移动硬件和设计可以很容易地插入计算机通过特定的高速传输通道和软件驱动程序。因此,该系统配置可以发布出去是依靠和multithread-based执行方案的优点。

4.4。临床验证

一般而言,临床验证是最后系统开发阶段确定仿真系统可以适用于临床常规做法。目前临床验证过程分为三个层次:几何验证,模型的行为验证,用户可接受性/安全验证。关于几何和模型行为验证,验证数据是一般取自标准仿真软件,幻影软组织器官,或术后数据。有一个缺乏在活的有机体内数据准确地验证仿真系统在现实医疗环境。准确的CT / MRI数据的使用是有前途的,但这种方法不适合在线验证。使用标准的仿真软件验证模拟的物理行为模型也面临着一些问题。需要注意的是,大多数的软组织材料(如肌肉、脂肪和皮肤)在这些类型的软件不可用。因此,只有简化行为与传统机械法验证(例如,线性弹性或超弹性的法律)。因此,应该调查更多的实验协议描述增强模型的软组织行为和使用它们的行为验证。最后,用户可接受性/执行安全验证与终端用户包括病人、学员,通过问卷调查和专家。注意,这种方法相对主观和定性。除了这些验证水平,系统应该执行验证整个系统的评估而不是每个系统的组件。这一阶段目标系统功能分析,系统的鲁棒性,系统计算性能在短期或长期工作时间。 While the system functions are relatively easy to verify by comparing with the proposed development functions at the designing stage, the system robustness and computation performances must be tested after short-term and long-term working durations. Although this validation process is necessary for a stable and robust system, rarely, studies in the literature conduct this validation.

5。目前的趋势、局限性和未来的建议

当前的趋势计算方法与(1)物理定律的数学公式应用于基于图像的软组织几何图形,(2)实时仿真实现软组织变形与简单的本构规律,和(3)模型实现对特定硬件配置加快计算的时间。然而,软组织的行为通常是各向异性、粘弹性和大变形不均匀,几乎不可压缩。事实上,几乎所有的生理方面的考虑是困难的,特别是对于一个实时仿真系统。因此,建模假设相关本构律法,几何离散化、边界和加载条件通常表现为一个特定的应用程序。进一步的研究需要研究开发更准确的计算方法来模拟复杂的软组织在实时条件下的行为。几种方法相结合的混合建模方法是一个潜在的解决方案从而最大化每个方法的优点和克服的局限性。

关于设备的交互,获取多种类型的数据的能力实时、准确和可移植性的传感器是目前的趋势。多个传感器可以嵌入一个精确校准的结构和工作作为一个独立配置。这些类型的传感器,因此,更准确和速度比手动校准传感器系统。事实上,一些多功能传感器如KINECT™由Microsoft®,这款产品™两由华硕等校准立体相机好对这个需求的建议。然而,目前传感器难以获得深度信息软组织,这是至关重要的在活的有机体内建模与仿真。特别是,没有传感器实时获取这些数据的能力,因此,需要一种新型的传感器,可以实时的内部结构和/或纹理。事实上,复杂的数据处理方案需要在未来调查研究external-internal软组织的关系导致预测解决方案来自外部信息的内部结构。统计形状模型(SSM)或人工智能(AI)方法是此类复杂目标的潜在方法。

对于系统架构和执行方案,强大的和开放的框架的可用性为医学影像处理(例如,3 d切片机),数据可视化(如OpenGL, VTK)和模拟(例如沙发)是当前的趋势,可以加快开发新系统。然而,这些框架之间的兼容性成为一个潜在的缺点。来处理这个障碍,社会应共同努力,定义一个通用计算协议,促进其使用在任何系统开发为未来的应用程序。此外,所有发达系统执行方案很难计划没有帮助的系统框架。最常用的系统框架主要支持多线程编程方案而不是分布式方案和组合方案。此外,他们没有管理内部线程之间的回忆。为进一步建议,应该开发更多的系统框架支持线程之间的通信。此外,编程框架,分布式方案还需要追究支持多个计算机之间的连接和数据传输。应该开发更多的软件开发工具包(sdk)等通用传感器单摄像头,立体相机和激光扫描仪,以便更深的信息可以提取和估计。此外,开发的系统转化为临床常规做法,应遵循软件开发流程专用的医疗应用程序,以确保高质量和可靠的医疗软件的好处包括患者和临床医生。

最后,多级验证成为一个可以避免的任务在开发实时医疗与软组织形变仿真。定量评估的准确性也是重点。然而,开发软组织仿真系统时,必须同时提出系统的验证过程。具体来说,一个系统必须通过所有验证顺序验证水平。验证数据的类型为每个验证过程应该明确定义,还应该计划和采购流程。此外,评估程序可以包含在系统评价的发展进步用户在每个级别的培训。在用户可接受性/安全验证,监督任务程序同时运行与仿真系统可以用于跟踪用户的行为。此外,一个函数,包括调查问卷可以包含在用户可接受性评价系统的功能,所以结果是自动处理和发送给开发人员进行进一步的发展。

6。结论

目前的审查论文进行总结关于实时软组织变形系统的文学作品。在综述,研究有关实时软组织仿真分析了根据四个系统工程方面:计算方法,交互设备,系统架构,和临床验证。本文提供了有用的信息来描述各个方面开发和他们如何合作执行实时和软组织的现实行为。通过清晰地分析优点和缺点在每个系统开发方面,综述论文可以用作参考指导系统开发人员选择合适的系统的组件在开发软组织仿真系统。最后,本文确定了今后研究的一些建议。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作进行了框架和资助的Labex MS2T。这是在法国政府的支持下,通过项目“投资未来”管理的国家研究机构(参考anr - 11 -国际防务展- 0004 - 02)。我们也承认该地区Hauts-de-France来融资。

引用

1. w .太阳和p·拉尔,“最近开发计算机辅助组织工程审查,”计算机在生物医学方法和项目,卷67,不。2、85 - 103年,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. j·布朗,s .索金J.-C。Latombe、k·蒙哥马利和m . Stephanides“实时显微手术仿真算法工具,”医学图像分析》第六卷,没有。3、289 - 300年,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. Peterlik, m . Sedef c Basdogan, l . Matyska“实时visio-haptic与静态软组织模型具有几何和材料非线性,”计算机与图形学,34卷,不。1,43-54,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. c·蒙特塞拉特迈耶,m . Alcaniz f . Chinesta和m . c .胡安“实时仿真的一种新方法组织变形手术模拟,”计算机在生物医学方法和项目,卷64,不。2、77 - 85年,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. a .井k Kurosaki, k . Yamane中村y,“Musculoskeletal-see-through镜子:计算建模和算法全身肌肉活动实时可视化,”生物物理和分子生物学的进展,卷103,不。2 - 3、310 - 317年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. h . Alsaffar a . k . Ho·c·道尔h . m . Ladak和s . k . Agrawal“虚拟现实鼓膜切开术仿真与实时变形:开发和有效性测试”的喉镜,卷122,不。8,1844 - 1851年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. m . Tonutti g .肝,g . z杨”的机器学习方法实时图像引导神经外科组织变形,造型”人工智能在医学上卷。80年,39-47,2017页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. d . Lorente f . Martinez-Martinez m . j . Ruperez et al .,“一个框架,用于模拟人类肝脏的生物力学行为在实时使用机器学习呼吸,”专家系统与应用程序卷,71年,第357 - 342页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. h . Delingette“对现实的软组织建模在医学模拟,”IEEE学报》,卷86,不。3、512 - 523年,1998页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. a . Nealen m·穆勒r . Keiser e . Boxerman m·卡尔森,基于物理的可变形模型在计算机图形学中,“计算机图形学论坛,25卷,不。4、809 - 836年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. d .一大早,a Liberati,泰兹拉夫·j·d·g·奥特曼”首选项报告系统评价和荟萃分析:棱镜声明,“国际期刊的手术,8卷,不。5,336 - 341年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. s . Cotin h . Delingette, n . Ayache“实时软组织的弹性变形手术模拟,”IEEE可视化和计算机图形学,5卷,不。1,第73 - 62页,1999。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. j Allard, s . Cotin f·福尔et al .,“沙发-一个开源框架,医学仿真”学生健康抛光工艺通知十三至十八卷,125,页2007。视图:谷歌学术搜索
14. j .伯克利g . Turkiyyah d·伯格·m·甘特图和s . Weghorst“实时有限元建模手术仿真:应用程序虚拟缝合,”IEEE可视化和计算机图形学,10卷,不。3、314 - 325年,2004页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. g . r . Joldes a . Wittek和k·米勒,“套有限元算法精确计算的软组织变形手术模拟,”医学图像分析,13卷,不。6,912 - 919年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. k·米勒,g . Joldes d·兰斯,a . Wittek“拉格朗日总显式动力学有限元算法计算软组织变形,“通信工程中的数值方法,23卷,不。2、121 - 134年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. z . a .泰勒,m . Cheng和s . Ourselin”高速非线性有限元分析手术模拟使用图形处理单元,“IEEE医学成像,27卷,不。5,650 - 663年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. m·A·Audette诉海沃德o . Astley m . Doyon g·A·麦卡利斯特和k . Chinzei”实时的基于pc的系统架构有限元素工具相关的手术模拟,”国际大会系列卷,1268年,第383 - 378页,2004年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. m . Sedef大肠Samur, c . Basdogan“实时线性粘弹性组织行为的有限元模拟实验数据的基础上,“IEEE计算机图形学和应用程序,26卷,不。6日,58 - 68、2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. a·g·塞拉,j . Subag Lindblad, d . Albocher s史肯和g .易北河,“实时触觉切口使用有限元模拟不连续的自由变形,“计算机辅助设计,39卷,不。8,685 - 693年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. m·加西亚o·d·罗伯斯l .牧师和a·罗德里格斯”msr:快速线性规划求解可变形物体的实时仿真,”计算机与图形学,32卷,不。3、293 - 306年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. a·g·r·Joldes Wittek, k·米勒,”一个高效的沙漏控制实现均匀应变六面体使用拉格朗日公式,“通信工程中的数值方法,24卷,不。11日,第1323 - 1315页,2008年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. a·g·r·Joldes Wittek, k·米勒,“实时非线性有限元计算GPU应用神经外科模拟,”计算机在应用力学和工程方法,卷199,不。49-52,3305 - 3314年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. a . Wittek g . Joldes m . Couton s . k . Warfield和k·米勒”,针对病人的非线性有限元模型预测软实时器官变形;应用非刚性的神经登记。”生物物理和分子生物学的进展,卷103,不。2 - 3、292 - 303年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
25. r . j .拉裴尔p·d·Gasson诉红桉,“模拟整形手术:从人体皮肤拉伸测试,通过超弹性的有限元模型实时触觉,”生物物理和分子生物学的进展,卷103,不。2 - 3、208 - 216年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
26. s . Marchesseau t .这个s Chatelin r .愿意和h . Delingette”快速多孔visco-hyperelastic软组织手术仿真模型:应用肝脏手术,”生物物理和分子生物学的进展,卷103,不。2 - 3、185 - 196年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
27. h . Courtecuisse h·荣格,j Allard, c . Duriez d . y . Lee和s . Cotin”基于gpu的实时软组织变形切削和触觉反馈,”生物物理和分子生物学的进展,卷103,不。2 - 3、159 - 168年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
28. 通用汽车Turkiyyah w·b·卡拉姆反对z,贾米德,和纳斯里,“网格切割在实时物理模拟,”计算机辅助设计,43卷,不。7,809 - 819年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
29. s . Niroomandi居多,大肠Cueto, f . Chinesta“占大变形实时模拟基于降维的软组织模型,”计算机在生物医学方法和项目,卷105,不。1、1 - 12,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
30. a p l . t . Wu挂,p .猎人,和k . Mithraratne”造型的面部表情:一个框架,用于模拟非线性软组织变形使用嵌入式3 d肌肉,”有限元素分析和设计卷,76年,第70 - 63页,2013年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
31. k . Morooka y Nakasuka, r . Kurazume x, t .长谷川和m . Hashizume”导航系统实时有限元分析微创手术,”IEEE 2013年第35届国际会议在医学和生物工程协会(EMBC)大阪,页2996 - 2999年,日本,2013年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
32. r .相类似的,美国Sirouspour基于gpu加速计算的非线性有限元变形分析,“国际期刊《生物医学工程中的数值方法,30卷,不。3、365 - 381年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
33. h . Courtecuisse j Allard, p . Kerfriden s p . a . borda s Cotin和c . Duriez“实时仿真异构软组织的接触和削减,”医学图像分析,18卷,不。2、394 - 410年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
34. 诉Strbac, j·范德Sloten, n . Famaey”分析潜在的gpgpu实时显式使用CUDA软组织变形的有限元分析,“有限元素分析和设计卷,105年,第89 - 79页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
35. a . Karami m .格和s . a . Haghpanah”预测的肌肉活动眼球运动与有限元建模、”计算机在生物学和医学卷,89年,第378 - 368页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
36. f . Martinez-Martinez m . j . Ruperez-Moreno m . Martinez-Sober et al .,“有限元素建模的机器学习方法的力学行为的乳房组织在实时压缩下,“计算机在生物学和医学卷,90年,第124 - 116页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
37. 诉Luboz, m . Bailet Boichon Grivot et al .,“个性化建模实时压力溃疡预防坐的姿势,“杂志组织的生存能力,27卷,不。1,54-58,2018页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
38. l . p . Nedel和d . Thalmann“实时肌肉变形使用质量弹簧系统,”程序。计算机图形学国际(猫。No.98EX149),页156 - 165,汉诺威,德国,1998年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
39. t . Goto w·s·李,n . Magnenat-thalmann”面部特征提取的快速真实感三维人脸建模、”信号处理:图像通信,17卷,不。3、243 - 259年,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
40. c . Bonamico m·科斯塔、f . Lavagetto和r . Pockaj“实时mpeg - 4人脸动画与3 d可伸缩的网格,”信号处理:图像通信,17卷,不。9日,第757 - 743页,2002年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
41. o . Sorkine d . cohen或者y Lipman, m . Alexa c . Rossl H.-P。塞德尔,“拉普拉斯算子表面编辑”学报2004 Eurographics / ACM SIGGRAPH研讨会上几何处理——SGP”04,页175 - 184,纽约,纽约,美国,2004年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
42. n . p . Chandrasiri t . Naemura m .不能h . Harashima i Barakonyi,“互联网通信使用实时面部表情分析和合成,“IEEE多媒体,11卷,不。3页,2004页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
43. w·Mollemans f . Schutyser: Nadjmi, p . Suetens”很快软组织与质量张量模型预测对于颌面部手术规划系统,”国际大会系列卷,1281年,第496 - 491页,2005年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
44. 陈平,k . e .改革者和k v施泰纳“位移驱动实时触觉手术模拟,可变形模型”2006年第14届研讨会上触觉接口虚拟环境和遥控机器人系统弗吉尼亚州亚历山德里亚,页499 - 505,美国2006年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
45. m . Lopez-Cano j . Rodriguez-Navarro A . Rodriguez-Baeza m . Armengol-Carrasco和A . Susin“实时动态三维模型的人力腹股沟区手术教育”计算机在生物学和医学,37卷,不。9日,第1326 - 1321页,2007年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
46. y . j . Lim和s . De”实时仿真的非线性组织反应在虚拟手术使用点collocation-based有限范围的方法,”计算机在应用力学和工程方法,卷196,不。31-32,3011 - 3024年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
47. 大肠Basafa和f . Farahmand实时仿真的非线性粘弹性变形的软组织,”国际计算机辅助放射学杂志和手术》第六卷,没有。3、297 - 307年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
48. 朱辽,j . Wang x et al .,“实时3 d仿真的鼻子手术和自动个人假肢设计,“计算机在生物医学方法和项目,卷104,不。3、472 - 479年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
49. x Wan,刘,j . x, x金,“测地线基于距离现实的面部动画使用RBF插值,”在科学与工程计算,14卷,不。5,49-55,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
50. b·h·勒·m·朱和z邓小平,“收购面部运动和变形指标优化,”IEEE可视化和计算机图形学,19卷,不。11日,第1871 - 1859页,2013年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
51. w . y . Zhang Lin周,z . Chen b .盛和j .吴“面部表情克隆与弹性和肌肉模型”,杂志的视觉传达和图像表示,25卷,不。5,916 - 927年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
52. y翁,c .曹问:侯,k .周“实时面部动画在移动设备上,”图形化的模型,卷76,不。3、172 - 179年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
53. f . Goulette和z。陈,“快速计算的软组织变形实时仿真与hyper-elastic质量链接,”计算机在应用力学和工程方法卷。295年,18-38,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
54. j . Zhang y中,j·史密斯和c·古”一个新的链甲的方法实时软组织仿真,”生物工程,7卷,不。4、246 - 252年,2016页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
55. r·A·伍德沃德黄懿慧Chan锣et al .,“低成本框架基于实时标记的三维人体建模表达,“应用研究和技术杂志》上,15卷,不。1,第77 - 61页,2017。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
56. j .周z罗、c·李和m .邓“人体软组织的实时变形:径向基无网格基于马夸特的3 d模型算法,”计算机在生物医学方法和项目卷,153年,第252 - 237页,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
57. s . Cotin h . Delingette, n . Ayache”混合弹性模型实时切割、变形、和力反馈手术训练和模拟,”计算机视觉,16卷,不。8,437 - 452年,2000页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
58. g . Yarnitzky z Yizhar, a . Gefen”对内部变形和应力的实时监控与软组织的脚:步态分析的新方法,”生物力学杂志,39卷,不。14日,第2689 - 2673页,2006年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
59. 朱b和l .顾”混合可变形模型实时手术仿真。”计算机医学影像和图形,36卷,不。5,356 - 365年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
60. 即Pandzic和r . Forchheimermpeg - 4人脸动画:标准、实施和应用约翰•威利& Sons 2003。
61. m . Doblare e . Cueto b·卡尔沃m·a·马丁内斯·j·m·加西亚和j . Cegonino”在生物力学的无网格方法的采用,”计算机在应用力学和工程方法,卷194,不。6 - 8,801 - 821年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
62. g . y .张A . Wittek g·r·Joldes x,和k·米勒,“三维非线性meshfree算法模拟软组织的机械反应,”工程分析与边界元素,42卷,60 - 66、2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
63. m·h·Doweidar b·卡尔沃居多,p . Groenenboom和m . Doblare“隐式和显式的自然元素的比较方法在大型压力问题:生物组织建模,应用软”计算机在应用力学和工程方法,卷199,不。25 - 28,1691 - 1700年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
64. f . Roohbakhshan和r·a·萨奥尔”高效isogeometric薄壳软生物材料配方,”在力学生物学生物力学和建模,16卷,不。5,1569 - 1597年,2017页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
65. d . Kamensky f . Xu c·h·李,j .严y Bazilevs,和m . c .许”联系制定基于容量潜力:应用isogeometric房室瓣膜的模拟”计算机在应用力学和工程方法卷,330年,第546 - 522页,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
66. t . s . Sørensen和j . Mosegaard”介绍了GPU加速手术模拟,”生物医学模拟、困难和g . Szekely Eds。,pp. 93–104, Springer, Berlin, Heidelberg, 2006.视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
67. t . t . Dao A.-X。粉丝,s . Dakpe p . Pouletaut m . Rachik和m . c . h . b .,“基于图像的骨骼肌协调:案例研究主题特定的面部模拟仿真,”力学在医学和生物学》杂志上,18卷,不。2,1850020条,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
68. t . t . Dao和M.-C。h . b .,“骨骼肌的连续体建模的系统回顾:当前的趋势,限制,和建议,“应用仿生学和生物力学ID 7631818条,卷。2018年,17页,2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
69. b .广域网,m . Shahmoradi z . Zhang et al .,”模型的应力分布和断裂牙齿咬合的裂缝,“科学报告,9卷,不。1,p。4682年,2019。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
70. 她张y, y, y, y, f . Xu和c方,“牙髓学的访问蛀牙断裂阻力的影响首先使用扩展有限元法上颌磨牙,“Endodontia杂志,45卷,不。3、316 - 321年,2019页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
71. s . Niroomandi居多,d·冈萨雷斯,e . Cueto f . Chinesta,“实时仿真手术通过降维建模和X-FEM技术,”国际期刊《生物医学工程中的数值方法,28卷,不。5,574 - 588年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
72. t·r·Avazmohammadi d . s . Li莱希et al .,”一个集成的逆模型实验方法来确定软组织三维本构参数:应用post-infarcted心肌,”在力学生物学生物力学和建模,17卷,不。1,31-53,2018页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
73. r . Avazmohammadi j·s·苏亚雷斯,d s, s . s . Raut r·c·戈尔曼和m . s .麻袋,“当代观察心肌的生物力学模型,”生物医学工程的年度审查21卷,第442 - 417页,2019年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2020 Tan-Nhu阮等。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。